Общественное устройство Все муравьи — общественные насекомые, живущие одной семьёй. Размеры семьи варьируются от десятка до нескольких миллионов особей. Одно муравьиное поселение включает муравейники, сеть проторённых дорог и окрестные территории, где семья добывает пищу. Границы поселения бдительно охраняются от вражеских посягательств. В мирные времена жители соседствующих семей объединяются в федерации для обмена пищей и борьбы с конкурентами. В каждой муравьиной семье есть одна или несколько цариц, задача которых — давать жизнь новым муравьям. Жизнь муравья начинается с отложенного царицей яйца. Если яйцо оплодотворено, из него появятся самки — плодовитые будущие царицы или бесплодные рабочие муравьи, если оплодотворения не произошло — самцы. Непростые семейные отношения. Самки имеют двух родителей, тогда как самцы — только матерей. Получается, что ни у одного сына нет отца, и ни у одного отца нет сына. Основное население муравейника — рабочие особи. Плодовитые самки и самцы дома надолго не задерживаются: самцы погибают сразу после размножения, а самки дают начало новым муравейникам. Может показаться, что царица — глава муравейника и безраздельно им правит, однако она только даёт потомство. Рабочие муравьи с царицей обходятся без должного почтения: переселяют по своему усмотрению, могут даже убить, если она перестала быть плодовитой.
Коммуникации Отдельный муравей глуповат: его не назовёшь архитектором, инженером или воином. Однако муравьи ведут себя как разумные существа: строят жилища, ведут хозяйство, защищают территорию. Почему? Ключ к происходящему — их социальность. Муравьи живут большими группами (колониями) и никогда — поодиночке. Пусть отдельный муравей интеллектом не блещет, колония действует достаточно разумно: ей по плечу то, что одной особи не под силу. Разумность колонии основана на простых решениях, которые принимает каждый муравей, таких как «убежать или вступить в бой», «идти за едой или пока не стоит». Чтобы действовать как одно целое, муравьи делятся друг с другом информацией о принятых решениях. Для этого они выделяют пахучие вещества — феромоны, а источник запаха и его интенсивность различают парными усиками. Например, охранник сообщает фуражиру, что снаружи притаилась голодная ящерица. В свою очередь фуражир «рассказывает» об этом другим муравьям — добытчики решают остаться дома и переждать опасность. Так координируются все действия жителей колонии: от распределения обязанностей по хозяйству до ведения войны. Феромоны заполняют местообитание муравьёв, создавая своего рода «интеллектуальное пространство», которое может «читать» и изменять каждый муравей. Все жители колонии, таким образом, формируют коллективный интеллект. В муравейнике нет единого центра управления, начальников и подчинённых. Благодаря феромонам, все важные для колонии решения принимаются коллективно. Когда муравьи-разведчики ищут место для нового дома, они разбегаются вокруг, оставляя пахучий след. Разведчик, найдя подходящее место, метит его феромонами; то же самое делают и другие муравьи. Места, отмеченные несколькими муравьями, пахнут сильнее других. По силе запаха и выбирается искомая точка.
АЛГОРИТМ ПОИСКА КРАТЧАЙШЕГО ПУТИ СОСТОИТ ИЗ НЕСКОЛЬКИХ ЭТАПОВ:
Учёные давно заметили, что из всех существующих маршрутов к источнику пищи, муравьи используют наиболее короткий.
- Отправляясь на поиски пищи, муравей оставляет за собой след из феромонов, который не даёт ему заблудиться (рис.1);
- Найдя еду, муравей по проторённой дороге спешит обратно в муравейник, обновляя феромонный след, чтобы оповестить сородичей.
- Почуяв феромоны, другие муравьи устремляются тем же путём, тем самым увеличивая количество феромонных отметин на нём.
- Если к пище есть несколько маршрутов, то за одинаковое время по короткому пройдут больше муравьёв, чем по длинному. Кратчайший путь, отмеченный феромонами сильнее остальных, становится самым привлекательным (рис.2).
- Через некоторое время феромоны начинают испаряться. Чем больше времени занимает дорога до еды и обратно – тем меньше феромонов на ней остаётся (рис.3). Невыгодные длинные пути исчезают первыми.
- Если бы феромоны не испарялись, выбрать путь было бы невозможно. В таком случае, первый найденный маршрут остался бы единственным. Благодаря испарению феромонов, муравьи ищут новые пути к пище и, в конце концов, находят самый короткий.
В науке существует направление «Природные вычисления», объединяющее природные алгоритмы принятия решений и математические методы вычислений. Круг задач, решаемых с помощью природных вычислений, достаточно широк. Например, алгоритм поиска пищи, заимствованный у муравьёв, используется для оптимизации маршрутов транспорта и создания сетей телекоммуникации. Когда вы с помощью навигатора ищите короткий маршрут из точки А в точку В – программа находит его с помощью муравьиного алгоритма.
Верховная власть
В многоклеточном организме каждая клетка выполняет определённые функции (например, участвует в пищеварении или движении), а сходные по функциям клетки объединяются в ткани. Муравейник имеет с ним много общего: все муравьи («клетки») делятся на плодовитых особей и рабочих («ткани»). Интересы отдельных особей не имеют значения. Каждый муравей живёт и погибает во благо всего сообщества. Такую систему взаимоотношений учёные называют сверхорганизмом. Муравьи произошли много миллионов лет назад от похожих на ос насекомых-одиночек. Сегодня все без исключения муравьи живут общностями, которые держатся на трудах рабочих муравьёв. Рабочие муравьи самоотверженно выращивают потомство царицы, тогда как сами родителями не становятся. Зачем это им? С точки зрения современных учёных, каждый организм живет для того, чтобы продлить свои гены в своём потомстве. Однако то, что кажется самоотверженностью, на деле — чистой воды прагматизм. Рабочие муравьи имеют с выводком царицы половину общих генов (как у детей и родителей), как если бы это было их потомство. Работяги не переживают: у их генов есть будущее, и со спокойной душой вносят посильный вклад в общее дело. История муравьёв длится уже 100 млн лет (для сравнения — человек разумный появился «всего-то» 40 тысяч лет назад!), а количество видов муравьёв, существующих в наши дни, перевалило за 15 тысяч. Стратегия «действовать сообща» оказалась выигрышной. Пожалуй, нам есть чему у них поучиться!
